计算机控制实验指导书

实验一A/D与D/A转换

一、实验目的

1.通过实验了解实验系统的结构与使用方法；

2.通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。

二、实验设备

1.THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2.THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3.PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验内容

1.输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；

2.在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。

四、实验步骤

1.启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出

端连接到“数据采集接口单元”的“AD1”通道，同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到

接口单元的“AD2”输入端；

2、将”阶跃信号发生器”的输入电压调节为IV；

3.启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”

按钮；

4.点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，

观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为IV（可以使用血板上的直流数字电压表进

行测量）时应为00001100011101（共14位，其中后几位将处于实忖刷新状态）。调节阶跃信号的

大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值（详见本实验附录）进行比较；

5.根据DA转换器的转换规律（详见本实验附录），在DA部分的编辑框中输入一个十进制

数据（如2457,其范围为0—4095）,然后虚拟东波器上观测DA转换值的大小：

6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

五、附录

1.数据采集卡

本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是•种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有

14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输

出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特

点有：

1）支持USB1.1协议，真正实现即插即用

2）400KHzl4位A/D转换器，通过率为350K,12位D/A转换器，建立时间10US

3）4通道模拟量输入和2通道模拟量输出

4）8k深度的FIFO保证数据的完整性

5）8路开关量输入，8路开关量输出

2.AD/DA转换原理

数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的

对应关系为：-10〜10V对应为0〜16383（A/D转换为14位）。其中0V为8192。其主要数据格

式如下表所示（采用双极性模拟输入）:_________________________________________________

输入AD原始码（二进AD原始码（十六进求补后的码（十进

制）缶D制）

正满度011111111111111FFF16383

正满度一1LSB011111111111101FFE16382

中间值（零点）0000000000000000008192

负满度+1LSB1000000000000120011

负满度1000000000000020000

而DA转换时的数据转换关系为：・5〜5V对应为0〜4095（D/A转换为12位），其数据

格式（双极性电压输出时）为：

输入D/A数据编码

正满度111111111111

正满度一1LSB111111111110

中间值（零点）100000000000

负满度+1LSB000000000001

负满度000000000000

3.编程实现测试信号的产生

利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号,

斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：

1）正弦信号

..,、e2万

y=Asin（6JT+夕），T=——

co

2）方波

A0<t<T{

y=

0T[<t<T

3）斜坡信号

at

y,a为常量

0T]<t<T

4）抛物线信号

12

—ata为常量

y=12

0Tx<t<T

这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下:

dimtx,op,a，初始化函数

subInitialize(arg)，初始化函数

WriteData0,1'对采集卡的输出端口DA1进行初始化

tx=O'对变量初始化

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法运行函数

a=l

op=0.5*a*tx*tx40.1为时间步长

tx=tx+0.1

ifop>3then'波形限幅

tx=0

endif

WriteDataop,1'数据从采集卡的DA1端口输出

endsub

subFinalize(arg)，退出函数

WriteData0,1

endsub

通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。

其它典型信号的编程请参考“THBCC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS\基本波形”

目录内参考示例程序。

实验二数字滤波器

一、实验目的

1.通过实验熟悉数字滤波器的实现方法；

2.研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。

二、实验设备

1.THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2.THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3.PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验内容

1.设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路；

2.设计并调试一阶数字滤波器；

3.设计并调试高阶数字滤波器。

四、实验原理

1.在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字

滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通

过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是

用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。

•个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示：

NN

/=0/=0

2.一阶数字滤波器及其数字化

一阶数字滤波器的传递函数为6/（5）=上生=」一

八X（s）窝+1

利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：

TsTs

y（-=-x（幻+（1—一W-1）

TT

其中Ts为采样周期，7为滤波器的时间常数。Ts和7应根据信号的频谱来选择。

3.高阶数字滤波器

高阶数字滤波器算法很多，这里只给出种加权平均算法：

y（K）=A]X（K）+A2X（K-1）+A3X（K-2）+A4x（K-3）

其中权系数4满足：=同样，4也根据信号的频谱来选择。

i=\

五、实验步骤

1、实验接线及准备

1.1启动计算机，在桌面双击图标THBCC-1,运行实验软件；

1.2启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将低频函数信号发生器单元输出

端连接到采集卡的“AD1”通道，并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，

然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别

为4Hz,2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生

电路”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uo；

1.3按图2-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自

U1单元的输出端。图2-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连，同时将数据采集卡的

“DA2”输出端与“AD2”输入端相连;

2、脚本程序运行_

2.1点击软件工具栏上的“三卜按钮（脚本编程器），打开脚本编辑器窗口；

2.2在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算

机控制技术基础算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后

点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为10ms；

2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观察图2-2的输出端和

数据采集卡输出端“DA2”的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的

频率（即尖脉冲干扰信号的频率）。观察数据滤波器的滤波效果；

2.4点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改算法程序中的参数Ts（注：修改Ts时要同

步修改算法的运行步长）、Ti两个参数，然后再运行该程序，在示波器上再次观察参数变化对滤

波效果的影响；

2.5对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考本实验步骤2.2、2.3和2.4。不同的是打

开的脚本程序文件名为“数字滤波（高阶”'，实验时程序可修改的参数为al、a2、a3和采样时

间Ts。

2.6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件

六、实验报告要求

1.画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。

2.编写一阶数字滤波器的脚本程序。

3.绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。

七、附录

1.尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图

'——II--------1——

0.01uFI

松*号utlOkRn,

图2-1尖脉冲产生电路

通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。

2.实验电路的信号的产生

把图2-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”

编程输出）输入到图2-2所示的两个输入端。

200K200K

图2・2测试信号的产生电路图

3.一阶数字滤波器的程序编写与调试示例

dimpv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti'变量定义

subInitialize(arg)，初始化函数

WriteData0,1

opx=0

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法运行函数

pv=ReadData(l)，采集卡通道1的测量值

opl=2*sin(x)'正弦信号的产生

x=x+0.1

Ti=0.02

Ts=0.01'采样时间10ms

op2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx，•阶数字滤波器的输出

opx=op2

ifop2>=4.9then

op2=4.9

endif

ifop2<=-4,9then

op2=-4.9

endif

WriteDataopl,1'正弦信号从DA1端口输出

WriteDataop2,2'滤波后的信号从DA2端口输出

endsub

subFinalize(arg)，退出函数

WriteData0,1

WriteData0,2

endsub

高阶数字滤波器的编程请参考“THBCC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS\计算机

控制技术基础算法”目录内参考示例程序。

实验三离散化方法研究

一、实验目的

1.学习并掌握数字控制器的设计方法；

2.熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法；

3.通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环

系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。

二、实验设备

1.THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2.THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)

3.PC机1台(含软件“THBCC-1”)

三、实验内容

1.按连续系统的要求，照图3-1的方案设计一个与被控对象串联的模拟控制器D(S),并用

示波器观测系统的动态特性。

2.利用实验平台，设计•个数一模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)离散化后所

编写的程序对系统进行控制。

3.研究采样周期Ts变化时，不同离散化的方法对闭环控制系统性能的影响。

4.对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究。

四、实验原理

山于计算机的发展，计算机及其相应的信号变换装置(A/D和D/A)取代了常规的模拟控

制。在对原有的连续控制系统进行改造时，最方便的办法是将原来的模拟控制器离散化，其实

质是将数字控制部分(A/D、计算机和D/A)看成•个整体，它的输入与输出都是模拟量，因

而可等效于一个连续的传递函数D(S)。这样，计算机控制系统可近似地视为以D(S)为控制器的

连续控制系统。

下面以一个具体的二阶系统来说明D(S)控制器的离散化方法。

1、二阶系统的原理框图如图3-1所示。

W)~4gg-

图3-1二阶对象的方框图

图3-2二阶对象的模拟电路图

2、系统性能指标要求

系统的速度误差系数K.251/s,超调量心,410%,系统的调整时间f,Wls

据路要求可得:

limS—5——=5

。=5

…。5(0.55+1)

10

G0(S)=——-——

°5(0.55+1)-5(5+2)

令O（S）="2,则校正后的开环传递函数为

S+”

S+21010co,,2

O(S)=___x_____=_____=____-___

S+aS(S+2)-S(S+a)-S(5+2jiy”)

由上式得3,、=V10,2f(y“=a>取g=3，则a=23痴=4.47

V2V2

5+255.1+0.5$

D(S)==—x—0=0.45x--------

S+4.474.471+0.22s1+0.22$

所以校正后系统的模拟电路图如下图所示。

实验建议单元：U3、U8、U”、U5、U4及反相器单元

。⑸=之牌瑞X2人日’为使校正后的K,=5,

要求对象K由5增至

10o

K=510K,Cx=\uF

里=0.45，/?2=220K(实际可取200K电阻)，c2=\uF

Ri

3、D(S)的离散化算法

R⑻I/时ZOH|--

图3-4数一模混合控制的方框图

图3-3中D（S）的离散化可通过数据采集卡的采样开关来实现。

传递函数与Z传递函数间的相互转换，可视为模拟滤波器与数字滤波器之间的转换。常用

的转换方法有：

a）阶跃响应不变法（或用脉冲响应法）

b）后向差分法

c）双线性变换

1)阶跃跃响应不变法

〃⑺加强⑸]

u(kT)=u；(kT)

u(z)=Z[u(kT)]=Z[us(kT)]

〃(kT)一数字滤波器在阶跃作用下输出响应的“(kT)

4(AT)一模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值%(AT)

U(Z)Z也(⑺]

)=----=----;----

E(Z)1

1-Z-'

.c/c1+0.551+0.5S11.27

•D(S)=，U(S)=-----------=—I--------

1+0.22SS(l+0.22S)SS+4.54

"⑺=l+1.27eW〃

_1_1.27_2.27-(1.27々t

“~~\-z~'+\-e-454Tz~'—(l-z-,)(l-^-454，z-,)

据此得

454T1

~7、U(Z)U(z)2.27-(1.27+e--)Z-

如函=丁=—『十一

i-r'

即U(k)=厂5"u(k-l)+2.27e(k)-(1.27+e~4MT)e(k-1)

2)后向差分法

令de(t)«e(k)—e(k—1),dt=T

de(t)e(k)-e(k-Y)

••力〜T~

后向差分S与Z之间关系为

S=±W,代入D(S)表达式中得

T

1-z-'

必二D(Z)="=1XT+"5ZT

E©1+。22匕孩7+°22l

TT+0.22

于是得

U(k)=022U(k-1)+T+05e(k)——^05—e(k-1)

r+0.22T+0.22T+0.22

3)双线性变换

Z=e

—--_5

e2

由泰勒级数得1=1+L，

22

1+L

.-.z«—J-=>S=-x^^sgS=-x^—代入D(s)得

,TTZ+lT\+z

1------s

2

2l-Z-1

D(Z)=""TlTz3r=(1-ZT)+(1+ZT)T

1+0.22x2x1；-Ta+ZT)+°44(1-Z-i)

T1+Z-1

U(z)(+T)-(1-T)ZT1(I+T)_(I_T)ZT

E(z)一(0.44+7)-(0.44-T)Zi-0.44+T।0.44—77T

~0A4+T

nn“、0.44—T.\+T...\—T...

即u(k)=-----------u(k-1)H-------------e(k)---------------e(k-1)

0.44+T0.44+T0.44+T

五、实验步骤

1、实验接线及准备

1.1按图3-2连接一个二阶被控对象的模拟电路；

1.2,用导线将该电路的输入端连接到数据采集卡的“DA1”输出端，电路的输出端与数据

采集卡的“AD1”输入端相连；

1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”

状态；

2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件；

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“开始采集卜'按钮和工具栏上的“三I”按钮(脚本

编程器)；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算

机控制技术基础算法\D(S)离散化方法研究”文件夹下选中“阶跃响应不变法”脚本程序并打开,

阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单卜“步长设置”，将脚本算法的运行步

长设为100ms；点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；弹起锁零按钮使其处于“解锁”状

态，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线。结束本次实验后按下锁零按钮使其处于“锁

零”状态；

2.4参考步骤2.3,用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换脚本程序，用虚拟示波

器观察图3-2输出端的响应曲线；

2.5将采样周期Ts减小或增大，重复步骤2.3和2.4,用虚拟示波器观测采样周期Ts的减

小或增大对系统阶跃响应的影响。如系统出现不稳定情况，记下此时的采样周期Ts和所采用的

离散化方法；

2.6按图3-3连接二阶被控对象在加入模拟控制器（PID校正装置）后的模拟电路，并在其

输入端输入2V的阶跃信号，然后观察其响应曲线，并与前面2.3和2.4步骤中采用数字控制器

的实验曲线相比较；

2.7实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数（一般调至刻度2）和

选择“乜”按钮（时基自动），以下实验相同。

六、实验报告要求

1.绘出实验中二阶被控对象在加入模拟控制器（PID校正装置）前后的响应曲线。

2.编写数字控制器（阶跃响应不变法）的脚本程序。

3.绘出二阶被控对象在采用数字控制器后的响应曲线，并分析采样周期Ts的减小或增大

对系统阶跃响应的影响。

七、附录

3.数字控制器（阶跃响应不变法）的程序编写与调试示例

dimpv,sv,ei,eix,op,opx,Ts'变量定义

subInitialize(arg)，初始化函数

WriteData0,1

eix=O

opx=0

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法运行函数

pv=RcadData(l)'采集卡通道AD1的测量值

sv=2'给定值

Ts=0.1'采样周期

ei=sv-pv'控制偏差

op=exp(-4.54*Ts)*opx+(2.27*ei-(1.27+e:xp（-4.54*Ts））*eix）*0.45，控制器输出值

eix=ei,eix为控制偏差的前项

opx=op'opx为控制输出的前项

ifop<=-4.9then'输出值限幅

op=49

endif

ifop>=4.9then

op=4.9

endif

WriteDataop,1'控制信号从DA1端口输出

endsub

subFinalize(arg)，退出函数

WriteData0,1

endsub

双线性变换法、后向差分变换法对D（S）离散化后的请参考“THBCC-1”安装目录卜的“计

算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法'D（S）离散化方法研究”目录内参考示例程序。

实验四数字PID调节器算法的研究

一、实验目的

1.学习并熟悉常规的数字P1D控制算法的原理；

2.学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；

3.掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。

二、实验设备

1.THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2.THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3.PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验内容

1.利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；

2.采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使

之具有满意的动态性能；

3.对系统采用积分分离P1D控制，并整定调节器的参数。

四、实验原理

在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、

微分（D）组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。

在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积

分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进

的PID算法，如积分分离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当

控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的

作用，又减小了超调量。

五、实验步骤

1、实验接线

1.1按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；

1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连，电路的输入与数据采集卡的输出端

DA1相连；

1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关,并将锁零单元的锁零按钮处于“解

锁”状态。

2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件；

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“开始采集I”按钮和工具栏上的“三卜按钮（脚本

编程器）；

2.3在脚本编辑器窗U的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算

机控制技术基础算法,数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开，阅读、

理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为

100ms；

2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲

线；

2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验附录4）整

定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参

数的变化对系统动态性能的影晌；

2.6参考步骤2.4,24和2.5,用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID脚本程序,

并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性

能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的

影响；

2.7实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

六、实验报告要求

1.绘出实验中二阶被控对象在各种不同的PID控制下的响应曲线。

2.编写积分分离PID控制算法的脚本程序。

3.分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算法在实验中的控制效果。

七、附录

1.被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成

图4-1数-模混合控制系统的方框图

图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。

被控对象的传递函数为：

…、105

G（S）=-----------------=---------------------

（5+1）（5+2）（5+1）（0.554-1）

它的模拟电路图如下图所示

图4-2被控二阶对象的模拟电路图

2.常规PID控制算法

常规PJD控制位置式算法为

u(k)=kp{e⑹+e(i)+，[哑)一e(Z-1)]}

/i/=1/

对应的z传递函数为

口亿)=瑞=3+(占+七(1—27)

式中。一比例系数

跖=/二积分系数，T采样周期

°/

3K〃微分系数

pT

其增量形式为

u(^)=u[k—1)+K0[e(k)—e(k—1)]+Kq(k)+Kd\c(k.)—2e(k—1)+e(k—2)]

3.积分分离PID控制算法

系统中引入的积分分离算法时，积分分离PID算法要设置分离阈Eo：

当|e(kT)|W|Eo|时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。

当|e(kT)|>|Eo|时，采用PD控制，可使6p减小。积分分离P1D控制算法为：

〃(&)=K*(&)+K,K,Ze(〃)+Kd[e(k)-^-1)

式中人称为逻辑系数：

当|e(k)|W|E0|时，Ke=l

当|e(k)|>|E0|时，Ke=0

对应的控制方框图为

图4-3上位机控制的方框图

图中信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。

4.数字PID控制器的参数整定

在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响

应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法、

扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。

扩充阶跃响应曲线法只适合于含多个惯性环节的自平衡系统。用扩充阶跃响应曲线法整定

PID参数的步骤如下：

①数字控制器不接入控制系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近,

并使之稳定下来。

②记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如下图所示。

Ul(t)

③在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间T和被控对象时间常数Tx,以及它们的比值

TX/T,然后查下表确定控制器的Kp、K、人及采样周期T。

控制度控制律

TKpTiTd

1.05PI0.1T0.84Tx/T0.34T—

PID0.05T1.15TX/T2.0T0.45T

1.2PI0.2T0.78Tx/T3.6T一

PID0.16T1.0TX/T1.9T0.55T

1.5PI0.5T0.68Tx/T3.9T一

PID0.34T0.85Tx/T1.62T0.82T

扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的工、Tx参数获得一个初步的PID控制参数，然后

在此基础上通过部分参数的调节（试凑）使系统获得满意的控制性能。

5.位置式PID数字控制器程序的编写与调试示例

dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,qO,q1,q2,mx,pvx,op，变量定义

subInitialize(arg)'初始化函数

WriteData0,1

mx=O

pvx=O

endsub

subTakeOneStep(arg)'算法运行函数

pv=ReadData(l)，采集卡ADI通道的测量值

sv=2‘给定值

K=0.8，比例系数P

Ti=5'积分时间常数I

Td=0'微分时间常数D

Ts=0.1'采集周期

ei=sv-pv'控制偏差

qO=K*ei'比例项

ifTi=0then

mx=0

ql=0

else

mx=K*Ts*ei/Ti'当前积分项

endif

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts“微分项

ql=ql+mx

ifql>4.9then'积分限幅，以防积分饱和

ql=4.9

endif

ifql<-4.9then

ql=-4.9

endif

pvx=pv，pvx为测量值的前项

op=q0+ql+q2'PID控制器的输出

ifop<=-4.9then'输出值限幅

op=-4.9

endif

ifop>=4.9then

op=4.9

endif

WriteDataop,1'输出值给DA1通道

endsub

subFinalize(arg)'退出函数

WriteData0,1

endsub

位置式PID、积分分离PID控制算法的编程请参考“THBCC-1”安装目录下的“计算机控

制算法丫8$\计算机控制技术基础算法'数字PID调器算法”目录内参考示例程序。

实验五串级控制算法的研究

一、实验目的

1.熟悉串级控制系统的原理，结构特点；

2.熟悉并掌握串级控制系统两个控制器参数的整定方法。

二、实验设备

1.THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2.THBXD数据采集卡•块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)

3.PC机1台(含软件“THBCC-1”)

三、实验内容

1.设计一个具有二阶被控对象的串级控制系统，并完成数-模混合仿真。

2.学习用逐步逼近法整定串级控制系统所包含的内，外两环中PI控制器的参数。

四、实验原理

计算机串级控制系统的原理方框图如图5-1所示:

图5-1串级控制系统方框图

串级控制系统的主要特点是在结构上有两个闭环。位于里面的闭环称为副环或副回路，它

的给定值是主调节器的输出，即副回路的输出量跟随主调节器的输出而变化。副回路的主要作

用是：一、能及时消除产生在副回路中的各种扰动对主控参量的影响；二、增大了副对象的带

宽，从而加快了系统的响应。在外面的那个闭环称为主环或主回路，它的控制作用是不仅实现

主控参量c(t)最终等于给定值「⑴，而且使c(t)具有良好的动态性能。

图5-1中信号的离散化是通过数据采集卡的采样开关来实现的，D|(Z)、Dz(Z)是由计算机实

现的数字调节器，而其控制规律用得较多的通常是PID调节规律。

五、实验步骤

1、实验接线

1.1根据图5-1与5-2,连接一个二阶被控对象闭环控制系统的模拟电路；

1.2用导线将图5-2的“ul”输出点与数据采集卡的输入端“AD1”相连，"u2”输出点与

数据采集卡的输入端“AD2”相连，该电路的输入端则与数据采集卡的输出端“DA1”相连；

1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关,并将锁零单元的锁零按钮处于“解

锁”状态。

2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件；_

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“开始采集1按钮和工具栏上的“三I”按钮(脚本

编程器)；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算

机控制技术基础算法”文件夹下选中“串级控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后

点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图5-2中ul、u2输出

端各自的响应曲线。然后用逐步逼近法(参考本实验附录3的参数整定)整定串级控制系统的

主调节器和副调节器相应的P、I、D参数。在整定过程中，注意观察参数的变化对系统动态性

能的影响；

2.5将串级控制的脚本程序语句“WriteDataopl,1”中的叩1(加副控制器时)输出改为op(不

加副控制器时)输出，然后重复操作步骤2.4,并比较加副控制器前后被控参数的控制效果；

2.6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

六、实验报告要求

1.绘出实验中二阶被控对象的模拟电路图；

2.根据串级控制器的算法编写脚本程序；

3.绘制实验中被控对象的输出波形。

七、附录

1.被控对象的传递函数及模拟电路

被控对象的传递函数与模拟电路图如图5-2所示。

5

其传递函数为：G(S)=

(0.55+1)(25+1)

2.常规的PI控制算法

常规的PI控制律为»(r)=Kp[e(t)+—[e(T)dr]

Ti力

对于用一阶差分法离散后，可以得到常规数字PI的控制算法:

a(k)=u(k-1)+p[e(k)-e(k-1)]+Ie(k)

这里P、I参数分别为P=K“，I=K-

P°T,

图5・2二阶受控对象的模拟电路图

3.逐步逼近整定法的整定步骤

1）外环断开，把内环当作•个单闭环控制系统，并按单闭环控制系统的PID控制器参数的

整定方法，整定内环PID控制器的参数。

2）将内环PID控制器参数置于整定值上，闭合外环。如把内环当作外环中的一个等效环节,

则外环又成为一个单闭环控制系统，再按单闭环控制系统的PID控制参数的整定方法（如扩充

响应曲线法），整定外环PID控制器的参数。

3）将外环PID控制参数置于整定值上，闭合外环，再按以上方法整定内环PID控制器的

参数。至此，完成了一次逼近循环。如控制系统性能」满足要求，参数整定即告结束。否则，

就回到步骤2）。如此循环下去，逐步逼近，直到控制系统的性能满足要求为止。

4.串级控制程序的编写与调试示例

dimpv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,qO,q1,q2,op

dimpv2,sv2,ei2,ex2,ey2,K2,Ti2,Td2,q20,q21,q22,opl'变量定义

subInitialize(arg)，初始化函数

WriteData0,1

WriteData0,2

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法运行函数

pv=ReadData(l)，采集卡AD1、2通道的测量值

pv2=ReadData(2)

sv=2'给定值

K=1'比例系数P

Ti=3'积分时间常数I

Td=0'微分时间常数D

K2=1.2

Ti2=l

Td2=0

Ts=0.1'采集周期

主控制回路*********************************

ei=sv-pv，控制偏差

qO=k*(ei-ex)，比例项

ifTi=0then

ql=0

else

ql=K*Ts*ei/Ti'积分项

endif

q2=k*td*(ei-2*ex+ey)/Ts，微分项

ey=ex

ex=ei

op=op+q0+ql+q2

ifop>4.9then'对主调节器的输出值进行限幅

op=4.9

endif

ifop<-4.9then

op=-4.9

endif

***